技术与服务

Technology and Services
  • 电弧蒸发
  • 蒸发技术
  • 溅射技术
  • PVD技术
电弧蒸发

电弧蒸发是物理气相沉积的一种方式,PVD应用于硬质涂层方面就是从电弧技术开始的,电弧技术最早起源于电焊,将被蒸发的固体金属(靶材)置于真空腔室内,产生辉光放电后,在靶材表面运行,靶材在很小的范围内蒸发,大概是几个微米大小。电弧的运动是由磁场所控制的,蒸发出的金属离子形成的等离子体将沉积于工件表面,这些工件是在真空腔内旋转运动,电弧制备的涂层通常被用于工具和零部件的表面涂层,例如,TiN, AlTiN, AlCrN, TiSiN, TiCN, CrCN 和 CrN。蒸发的金属被电离同时加速进入电场,电弧工艺中实现蒸发材料的高度电离,沉积涂层具有优异的附着力。

电弧工艺示意图
电弧工艺的示意图

电弧技术的优点:
+ 高沉积速率(~1-3 μm/h) 
+ 高离化率,形成结合力好,致密的涂层 
+ 靶材冷却,涂层工件受热较少,这样可以在低于100°C以下沉积 
+ 可以蒸发多种成分的金属,剩余固态靶材成分不变 
+ 阴极可以放置在任何位置(水平、垂直、上部和下部),设备设计灵活

电弧技术的主要缺点:
- 靶材材料受限
- 只能使用金属(不包含氧化物),导致蒸发温度不会低 
- 由于很高的电流密度,一些靶材材料以小液滴的形式被蒸发溅出

蒸发技术

真空蒸发镀膜是在真空条件下,用蒸发器加热蒸发物质,使之升华,蒸发粒子流直接射向基片,并在基片上沉积形成固态薄膜,或加热蒸发镀膜材料的真空镀膜方法。

物理过程由物料蒸发输运到基片沉积成膜,其物理过程为: 采用几种能源方式转换成热能,加热镀料使之蒸发或升华,成为具有一定能量(0.1~0.3eV) 的气态粒子(原子、分子或原子团); 离开镀料表面,具有相当运动速度的气态粒子以基本上无碰撞的直线飞行输运到基体表面; 到达基体表面的气态粒子凝聚形核生长成固相薄膜;组成薄膜的原子重组排列或产生化学键合。

蒸发热力学液相或固相的镀料原子或分子要从其表面逃逸出来,必须获得足够的热能,有足够大的热运动。当其垂直表面的速度分量的动能足以克服原子或分子间相互吸引的能量时,才可能逸出表面,完成蒸发或升华。加热温度越高,分子动能越大,蒸发或升华的粒子量就越多。蒸发过程不断地消耗镀料的内能,要维持蒸发,就要不断地补给镀料热能。显然,蒸发过程中,镀料汽化的量(表现为镀料上方的蒸气压) 与镀料受热(温升) 有密切关系。因此,镀层生长速度与镀料蒸发速度密切相关。

蒸发粒子与基材碰撞后一部分被反向,另一部分被吸附。吸附原子在基材表面发生表面扩散,沉积原子之间产生两维碰撞,形成簇团,有的在表面停留一段时间后再蒸发。原子簇团与扩散原子相碰撞,或吸附单原子,或放出单原子,这种过程反复进行。当原子数超过某临界时就变为稳定核,再不断吸附其他及化合物原子而逐步长大,最后与邻近稳定核合并,进而变成连续膜。

溅射技术

溅射是物理气相沉积技术的另一种方式,溅射的过程是由离子轰击靶材表面,使靶材材料被轰击出来的技术。惰性气体,如氩气,被充入真空腔内,通过使用高电压,产生辉光放电,加速离子到靶材表面,氩离子将靶材材料从表面轰击(溅射)出来,在靶材前的工件上沉积下来,通?;剐枰玫狡渌?,如氮气和乙炔,和被溅射出来的靶材材料发生反应,形成化合物薄膜。溅射技术可以制备多种涂层,在装饰涂层上具有很多优点(如Ti、Cr、Zr和碳氮化物),因为其制备的涂层非常光滑,这个优点使溅射技术也广泛应用于汽车市场的摩擦学领域(例如,CrN、Cr2N及多种类金刚石(DLC)涂层)。高能量离子轰击靶材,提取原子并将它们转化为气态,利用磁控溅射技术,可以对大量材料进行溅射。


溅射工艺示意图
溅射工艺的示意图


溅射技术的优点:
+ 靶材采用水冷,减少热辐射
+ 不需要分解的情况下,几乎任何金属材料都可以作为靶材溅射
+ 绝缘材料也可以通过使用射频或中频电源溅射
+ 制备氧化物成为可能(反应溅射)
+ 良好的涂层均匀性
+ 涂层非常光滑(没有液滴)
+ 阴极(最大2m长)可以放置在任何位置,提高了设备设计的灵活性

溅射技术的缺点:
- 与电弧技术比较,较低的沉积速率
- 与电弧相比,等离子体密度较低(~5%),涂层结合力和涂层致密度较低

溅射技术有多种形式,这里我们将解释其中的一些,这些溅射技术都能在汇成真空生产的真空镀膜设备上实现。
+ 磁控溅射 使用磁场保持靶材前面等离子体,强化离子的轰击,提高等离子体密度。
+ UBM 溅射是非平衡磁控溅射的缩写。使用增强的磁场线圈加强工件附近的等离子密度??梢缘玫礁又旅艿耐坎?。在UBM过程中使用了更高的能量,所以温度也会相应升高。
+ 闭合场溅射 运用磁场分布限制等离子体于闭合场内。降低靶材材料对真空腔室的损失并使等离子体更加靠近工件??梢缘玫街旅芡坎?,并且使真空腔室保持相对清洁。
+ 孪生靶溅射(DMS)是用来沉积绝缘体涂层的技术。交流电(AC)作用在两个阴极上,而不是在阴极和真空腔室之间采用直流(DC)。这样使靶材具有自我清理功能。孪生靶磁控溅射用来高速沉积如氧化物涂层。
+ HIPIMS+ (高功率脉冲磁控溅射)采用高脉冲电源提高溅射材料的离化率。运用HIPIMS+ 制备的涂层兼具了电弧技术和溅射技术的优点。HIPIMS+ 形成致密涂层,具有良好涂层结合力,同时也是原子级的光滑和无缺陷的涂层。

PVD技术

PVD 是物理气相沉积的缩写,PVD是在真空状态下材料蒸发沉积的技术,真空腔室是必备的条件,以避免蒸发出的材料和空气反应,PVD涂层用来制备新的、具有额外价值和特点的产品,如绚丽的色彩、耐磨损能力和降低摩擦。利用物理气相沉积 (PVD) 工艺,通过冷凝大部分金属材料并与气体结合,如氮,形成涂层。 基体材料是从固态转化为气态,并如在电弧工艺中一样被接受到的热能电离,或者如在溅射工艺中一样由动能电离。PVD技术是环保无污染的,总体来讲,汇成真空专注于PVD镀膜。

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